案例詳情
淺談基于CT取電無線測溫系統低功耗的實現與應用
日期：2024-09-22 13:56
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摘要：高壓設備在長期的運行過程當中，其很多部位會發生溫度急劇升高的狀況，如開關柜觸頭接觸**導致觸頭溫度升高，甚至燒毀，由此造成停電事故發生。由此可見，對高壓開關設備的待測溫部位的溫度在線監測是極為必要的。基于CT取電無線溫度系統不用頻繁更換電池，提升系統的可靠性、實用性。本文同時介紹了如何通過軟件和硬件實現無線測溫系統低功耗，滿足母線小電流情況使用，并在實際應用中證明該技術的實用性。
張娟
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要:高壓設備在長期的運行過程當中，其很多部位會發生溫度急劇升高的狀況，如開關柜觸頭接觸**導致觸頭溫度升高，甚至燒毀，由此造成停電事故發生。由此可見，對高壓開關設備的待測溫部位的溫度在線監測是極為必要的。基于CT取電無線溫度系統不用頻繁更換電池，提升系統的可靠性、實用性。本文同時介紹了如何通過軟件和硬件實現無線測溫系統低功耗，滿足母線小電流情況使用，并在實際應用中證明該技術的實用性。
關鍵詞：CT取電；高壓設備；無線測溫；低功耗
1引言
高壓電氣設備溫度監測點都處于高電壓、大電流、強磁場的環境中，甚至有的監測點還處在密閉的空間中，由于強電磁噪聲和髙壓絕緣、空間的限制等問題，通常的溫度測量方法無法解決這些問題而無法使用。無線式溫度監測系統采用無線電波進行傳輸數據。傳感器安裝在高壓設備上，與接收設備之間無電氣連接，因此該系統從根本上解決了高壓設備接點運行溫度不易實時在線監測的難題。
本文為高壓設備無線測溫系統設計了一種高壓母線感應取電電源，使用該電源的無線測溫模塊不需要依靠變電站的市電電源供電實現了完全的獨立工作,可以大大提升監測系統的可靠性。
2感應取電線圈設計
母線供電的核心器件是磁感應線圈，也是設計的難點。母線上的電流變化外圍較大:低至幾安，高達上千安，市面常見10kV高壓開關柜的額定電流有630A、250A、600A等。在設計磁感應線圈的過程中要考慮到：當母線處于小電流狀態時，磁感應線圈獲得的能量較小，系統不能正常工作；當母線電流超過額定電流的強電狀態,或者短路故障電流時，磁感應線圈產生的高壓尖脈沖對副邊各器件造成的干擾和損壞,尤其是對后續電路的干擾。因此在母線電流較為復雜的情況下，磁感應線圈的鐵芯材料的選型極為關鍵。
2.1鐵芯材料選擇
目前可供使用的鐵芯材料有硅鋼材料、坡莫合金材料和納米晶材料，經過試驗本產品選用硅鋼材料鐵芯滿足設計要求，價格較便宜，使得本產品在同行業中更有競爭力。
2.2線圈匝數設計
對感應取電建立簡化模型，進行理論分析。假設感應取電的初級線圈和次級線圈達到全耦合電磁感應，并且不考慮初級線圈和次級線圈的漏感，建立感應取電簡化模型如圖1所示。
圖1感應取電簡化模型
根據電磁感應取電定律,可以得出以下基本公式
Φ為主磁通量;H為磁感應強度;L為磁路長度;B為磁感應強度;A為鐵芯截面積;N1和N2分別是初級和次級線圈的匝數。
感應取電裝置工作于理想優狀態時，應該是母線電流的半個周期內，鐵芯的磁感應強度從負飽和增加到正飽和，此時可以取得大功率，即輸出電壓大值U2max。
感應取電裝置工作于理想優狀態時，應該是母線電流的半個周期內，鐵芯的磁感應強度從負飽和增加到正飽和，此時可以取得大功率，即輸出電壓大值U2max。
本產品鐵芯選用硅鋼的飽和磁感應強度2.03,截面積A-10-4m2,r=π,大電壓為7.5V,則帶入公式計算出，
則本產品選取優匝數取4800。
3感應取電硬件設計
3.1硬件實現原理圖
通過感應線圈取電后，經鉗位保護電路、整流電路、線性穩壓為工作電路板供電，電路如圖2所示,原理圖如3所示。
圖2感應取電方框圖
圖3感應取電硬件原理圖
3.2工作原理
根據設計好的感應線圈，通過各設計參數選取器件，本產品采用二極管D1進行半波整流，保護電路采用瞬態抑制二極管，參數根據輸入電壓大值U2max來選取。C3電解電容進行濾波,穩壓芯片采用NCP551-3.3V,該芯片大輸入電壓為12V,靜態電流0.4uA很適合微功耗電路。輸出3.3V給單片機提供電源。C1選取大容量固態電容，這個電容尤為重要，選取固態電容好處，當微控制器由低功耗狀態轉為全負荷狀態時，這種微控制器的瞬間（一般小于5ms）切換需要的大量能量均來自供電電路中的電容，此時固態電容高速充放電特性可以在瞬間輸出高峰值電流,保證充足的電源供應，確保整個電路穩定工作。
3.3硬件低功耗實現
微控制器芯片采用STM8L系列芯片，該單片機有四種低功耗模式，其中halt模式下可以達到350nA,非常省電。從Halt模式喚醒的時間也非常快,只需要5us。這樣只要軟件程序合理，在實際測試中母線電流8A無線測溫模塊即可啟動工作。
本文采用的無線通信技術來實現傳輸溫度數據，工作電壓范圍為3.6v-1.9v,滿足本文所要求的低功耗需求，該芯片其具有以下優點：（1）運行功耗低，實際運用時可根據采集溫度數據間隙的時間，控制其工作時間以達到進一步降低其平均功耗；（2）傳輸速率高，有利于實現“實時”溫度監控的目的；（3）經濟性好,有利于控制測溫系統的運維成本；（4）體積小，便于運用在溫度傳感器上。
4軟件低功耗實現
當母線處于小電流狀態時，磁感應線圈獲得的能量較小,這樣整個電路功耗很低，這樣不僅要求芯片低功耗，軟件設計也尤為重要。低功耗程序設計，通過單片機和無線收發器的休眠以及外圍電路的關斷，使得整個電路大電流不超過30ms,無線發射時功耗不超過500ms。
首先要對單片機和無線收發器進行配置，為了防止節點死機,設計看門狗程序;為了能夠進入休眠模式三，進行電源管理和內核電壓監測設置;為了防止各個節點同時發送數據岀現碰撞,采用隨機延時算法;為了降低功耗，對溫度傳感器芯片進行關斷，具體如下圖實現。通過單片機10控制三極管溫度傳感器芯片進行電源關斷和AD采樣等具體實現如圖4所示。
圖4溫度采樣電路低功耗實現
無線測溫系統軟件流程圖如圖5所示，主要工作原理單片機進入休眠模式Halt,單片機處于停機狀態,需要定時喚醒，設置內部RTC時鐘作為定時器，定時喚醒單片機進行溫度采樣，采樣后存，下一次單片機喚醒后設置無線發送模塊工作，將溫度數據發送給主機。
圖5無線測溫節點軟件流程圖
5安科瑞無線測溫監控系統及在線測溫產品介紹
5.1概述
開關柜溫度在線監測系統是基于470MHz無線測溫技術開發的針對開關柜進行測溫的系統，可對開關柜分別為母線排、上下觸頭、電纜接頭，柜體表面等部位溫度進行實時監測，方便運維人員及遠程監控中心掌握現場設備運行情況。
5.2應用場所
變電所，配電室，箱變等
5.3系統架構
開關柜無線測溫系統由無線溫度傳感器、測溫通訊終端（溫度顯示儀）、溫度監測預警工作站三部分組成，
5.4系統功能
5.4.1實時監測
Acrel-2000T無線測溫監控軟件人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節點的溫度數據及有關故障、告警等信息。
5.4.2溫度查詢
溫度歷史曲線（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）：
5.4.3運行報表
查詢各回路設備運行溫度報表。
5.4.4實時報警
壁掛式無線測溫監控設備具有實時報警功能，設備能夠對溫度越限等事件發出警告。設備提供以下幾種告警方式：
1）彈出事件報警窗口。
2）實時語音報警功能，能夠對所有事件發出語音告警。
3）短信警告。可以向指定手機號碼發送告警信息短信（需選配短信貓）。
5.4.5歷史告警查詢
Acrel-2000T無線測溫監控系統能夠對所有告警事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統和告警等事件進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。
5.4.6用戶權限管理
Acrel-2000T無線測溫監控系統為保障系統**穩定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如數據庫修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的**保障。
5.4.7定值設置
用于修改高溫定值、超溫定值。
WEB，手機APP（可選）：
通過網址和手機APP展示頁面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點位數量等概況信息，設備溫度、通信狀態，用電分析和事件記錄。
5.5.產品選型
5.5.1無線測溫傳感器選型
5.5.2收發器選型
5.5.3測溫通訊終端（溫度顯示儀）選型
5.6典型配置方案
5.6.1高低壓柜內電氣接點無線測溫（單柜就地顯示）
a）配置方案
說明：ARTM-Pn通過RS485接口連接ATC實現開關柜溫度集中顯示，可接收60只無線溫度傳感器
ATE100/100M/200/400/100P/200P。
b）安裝實例
5.6.2高壓柜內電氣接點無線測溫帶操顯功能（單柜就地顯示）
a）配置方案
說明：ASD320通過RS485接口連接ATC實現開關柜溫度集中顯示，可接收12只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。
b）安裝實例
5.6.3高低壓柜內電氣接點無線測溫（集中就地顯示/就地無顯示）
a）配置方案
說明：觸摸屏通過RS485接口連接ATC實現開關柜溫度集中顯示，可接收240只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。如果現場不需要就地顯示，可以直接通過ATC的RS485接口，把數據傳送到值班室的遠程溫度監控系統。
b）安裝實例
5.6.4就地壁掛式集中顯示方案（適用于改造，不方便在柜子上加裝顯示屏的現場）
方案一：Acrel-2000T/A就地集中顯示：
說明：Acrel-2000/A通過RS485接口連接ATC實現開關柜溫度集中顯示，可接收240只無線溫度傳感器ATE100/100M/200/400/100P/200P。
方案二：Acrel-2000T/B就地集中顯示：
說明：Acrel-2000T/B不僅可以通過RS485連接多種ATC收發器接收所有型號傳感器實現集中顯示，還可以通訊連接配電室內無線測溫相關就地顯示裝置實現集中顯示，同時還可以連接配電室內智能操控、微機保護、電力儀表等電力監控設備進行監測。
5.6.5低壓電氣接點有線測溫、變壓器繞組測溫
a）配置方案
說明：ARTM-8溫度巡檢儀可配8路Pt100傳感器，有線連接，Pt100傳感器客戶自配，測量低壓電氣接點時Pt100傳感器需做好絕緣處理。
b）安裝實例
6總結
基于感應取電的無線測溫系統在高壓開關柜實際應用運行狀況良好，該系統能夠對溫度監測點的溫度進行實時測量,測量精度高。經過測試母線電流大于8A無線測溫模塊經過CT感應取電即可穩定工作。解決了傳統采用電池供電頻繁更換電池問題，不受電流變化范圍大影響可實現全天候對高壓開關柜內設備的溫度進行監測，以確保高壓開關柜正常運行。
參考文獻
[1]劉濤，唐培林.基于感應取電的無線測溫系統設計與應用[J].科技經濟導刊，2016,36:68-69.
[2]馮穎姣，張盛，汪黎明.基于CT取電無線測溫系統低功耗實現實用技術.
[3]安科瑞電氣設備溫度監控解決方案.2021.06月版.
[4]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06月版.
作者簡介：張娟，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事無線測溫系統的研發與應用
